CZ31525U1 - Zařízení pro zvyšování a/nebo snižování obsahu solí ve vodném prostředí pomocí kapacitní deionizace - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro zvyšování a/nebo snižování obsahu solí ve vodném pro5 středí pomocí kapacitní deionizace, při které se využívá elektrosorpce iontů na elektrodách s velkým povrchem.

Dosavadní stav techniky

Nejvíce rozšířené způsoby desalinací/zakoncentrovávání solí jsou membránové procesy, nanofiltrace, reverzní osmóza a elektrodialýza, destilační procesy a odpař. Každá z metod s sebou nese specifika, výhody a nevýhody, a je vhodnější než jiné pro různé stupně zasolení, případně také s přihlédnutím k doprovodným fyzikálně chemickým ukazatelům vody (pH, koncentrace nerozpuštěných látek, koncentrace a typ organických látek, tvrdost vody, oxidační prostředí apod.)

Kapacitní deionizace je známá již od 60. let minulého století, nicméně její komerční využití se objevuje až v poslední době, přičemž tato známá řešení mají tu nevýhodu, že sestavování kapa15 citně deionizačních cel v těchto řešeních je složité a nákladné a cely vykazují relativně nízkou kapacitu, která je přímo úměrná ploše elektrod. Některá uspořádání využívají elektrody kombinované s iontově výměnnými membránami, což omezuje jejich použitelnost pro systémy s vysokou teplotou média.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje zařízení podle tohoto technického řešení pro zvyšování a/nebo snižování obsahu solí ve vodném prostředí pomocí kapacitní deionizace, které podle tohoto technického řešení obsahuje

- modul pro kapacitní deionizaci, obsahující alespoň jednu dvojici elektrod připojitelných ke zdroji napětí, a mezí nimi průchod pro upravovanou kapalinu,

- podávači potrubí pro přívod upravované kapaliny do modulu,

- výstupní potrubí pro odvod kapaliny z modulu,

- potrubí pro odvod koncentrátu,

- potrubí pro odvod upravené vody a

- troj čestný ventil pro volitelné propojování výstupního potrubí s potrubím pro odvod koncentrátu a potrubím pro odvod upravené vody.

Zařízení s výhodou dále obsahuje čerpadlo pro nucené vedení kapalíny podávacím potrubím do modulu.

Ve zvlášť výhodném provedení zařízení dále obsahuje alespoň jeden měřicí prvek uspořádaný v podávacím potrubí a/nebo výstupním potrubí, přičemž měřicí prvek je průtokoměr nebo vodi35 vostní čidlo nebo pH sonda nebo teplotní čidlo nebo manometr. Zařízení s výhodou obsahuje všechny výše uvedené měřicí prvky a s výhodou rovněž řídicí jednotku, která je komunikačně propojená s uvedenými měřicími prvky a rovněž s modulem pro kapacitní deionizaci a s troj čestným ventilem. V dalším výhodném provedení zařízení dále obsahuje nádrž, která je propojená se vstupem modulu pomocí podávacího potrubí a do které je zaústěné potrubí pro upravenou vodu.

Zařízení může obsahovat soustavu sériově za sebou fluidně propojených modulů pro postupné snižování nebo zvyšování obsahu solí v kapalině procházející z podávacího potrubí uvedenými moduly do výstupního potrubí.

Alternativně nebo přídavně může zařízení obsahovat soustavu paralelně vedle sebe fluidně propojených modulů, jejichž výstupy jsou zaústěny do společného výstupního potrubí.

as F.lektrodv i sou s vvhodou kompozitní porézní elektrody, přednostně s vysokým obsahem uhlíku.

CZ 3Í525 Ul

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále podrobněji popsáno na základě příkladných provedení a výkresů, kde na obr. 1 je znázorněn princip snižování obsahu solí v kapalině pomocí kapacitní deionizace, na obr. 2 je princip zvyšování obsahu solí, na obr. 3 je první příkladné provedení, na obr. 4 druhé příkladné provedení a na obr. 5 třetí příkladné provedení zařízení podle tohoto technického řešení, na obr. 6 je pohled na příkladné provedení modulu pro kapacitní deionizaci a na obr. 7 je příčný řez modulem z obr. 6.

Příklady uskutečnění technického řešení

Princip metody odsolování/zahušťování kapacitní deionizaci je schematicky znázorněn na obrázku 1 a 2.

Na obr. 1 je znázorněno odsolování, tedy sorpční fáze, při které se na elektrody přivede napětí do

1,2 V. Při vyšším aplikovaném napětí by již mohlo docházet k rozkladu vody. Kontaminovaná voda je přiváděna na vstupu i mezi uhlíkové porézní elektrody 2, 3, resp. mezi katodu 2 a anodu

3. Přivedený náboj na uhlíkových porézních elektrodách 2, 3 je vyrovnáván opačně nabitými ionty, které se sorbují na povrchu elektrod, případně difundují do elektrod, a vytvářejí tzv. elektrické dvoj vrstvy. Takto upravená /odsolená/ voda je pak odváděna výstupem 4.

Na obr. 2 je znázorněno zahušťování, resp. desorpční fáze, při které jsou elektrody zkratovány nebo přepólovány a ionty se uvolňují a vyplavují z elektrod, případně elektrodového prostoru, do vody procházející mezi elektrodami, načež je voda s vyšším obsahem solí odvedena výstupem 4.

Použití kapacitní deionizace je výhodné z hlediska provozních nákladů, především spotřeby elektrické energie, pro nižší solnosti roztoků cca do 2000 mg/1. Při vyšších koncentracích je ekonomičtější použít elektrodialýzu, nebo reverzní osmózu. Metody založené na odparu jsou výhodné tam, kde je dostatek jinak nevyužitelného tepla, nebo natolik vysoká solnost, že ani reverzní osmóza již neposkytuje dostatečné výtěžky.

První výhodné provedení zařízení podle tohoto technického řešení je znázorněno na obr. 3. Toto provedení obsahuje skříň 5, ve které je uspořádán modul 6 pro kapacitní deionizaci. Ve skříni 5 je rovněž uspořádáno čerpadlo 7, do kterého je zaústěný přívod 8 kapaliny k úpravě. Přívod 8 je opatřený zpětnou klapkou 19.

Místo skříně 5 lze použít rámovou konstrukci.

Čerpadlo 7 je fluidně propojeno s modulem 6 podávacím potrubím 9, ve kterém jsou uspořádány vstupní měřicí prvky, a to průtokoměr 10, vodivostní čidlo H, pH sonda 12, teplotní čidlo 13 a manometr 14.

K modulu 6 je připojené výstupní potrubí 15, které je přes trojcestný ventil 16 propojené jednak s potrubím 17 pro koncentrát a potrubím J_8 pro upravenou vodu, tedy vodu se sníženou koncentrací solí.

Ve výstupním potrubí 15 jsou uspořádány výstupní měřicí prvky, a to manometr j_4, pH sonda 1_2 a vodivostní čidlo H.

Toto provedení dále obsahuje řídicí jednotku 30 s ovládací klávesnicí 31 a zobrazovací jednotkou 32. Řídicí jednotka je elektricky propojena se vstupními i výstupním měřicími prvky, dále s modulem 6, s trojcestným ventilem 16 a s čerpadlem 7.

Modul 6 obsahuje alespoň jednu dvojici porézních uhlíkových elektrod 2, 3 připojených ke zdroji napětí a mezi nimi průchod pro upravovanou kapalinu.

Zařízení pracuje následovně: kapalina obsahující soli je přiváděna do zařízení z obr. 3 přívodem 8, je pomocí čerpadla 7 hnána podávacím potrubím 9 do modulu 6, kde prochází mezi elektrodami 2, 3. Na elektrody 2, 3 je v modulu 6 přiváděno napětí o velikosti 0,8 až 1,2 V, takže se ionty sorbují na elektrody 2, 3, případně do elektrod, a na výstupu z modulu je již kapalina do určité míry odsolená. Trojcestný ventil 16 je sepnut tak, že uzavírá potrubí 17 pro koncentrát

CZ 31525 Ul a veškerá kapalina proudící výstupním potrubím 15 z modulu 6 je vedena do potrubí J_8 pro upravenou vodu. Když se na elektrodách 2, 3 zachytí takové množství iontů, že se začne významně snižovat účinnost procesu, elektrody 2, 3 se vyzkratují, ionty se desorbují z elektrod 2, 3 a trojcestný ventil 16 se přepne tak, že veškerá kapalina proudící z modulu 6 výstupním potrubím 15 je vedena do potrubí Γ7 pro koncentrát.

Vodivostním čidlem H se zjišťuje koncentrace solí v protékající kapalině a výsledky jsou odesílány do řídicí jednotky 30, a na základě naměřených hodnot lze upravovat softwarově nebo manuálně jednotlivé technologické parametry, např, průtok, napětí, proud.

Ve zvlášť jednoduchém a nenákladném provedení, které je znázorněno na obr. 4, jsou některé vstupní měřicí prvky a výstupní měřicí prvky vynechány, stejně jako zobrazovací jednotka 32 a/nebo zadávací klávesnice 3T Potrubí T7 pro koncentrát a potrubí J_8 pro upravenou vodu jsou opatřeny regulátory 25 průtoku.

Další výhodné provedení zařízení podle tohoto technického řešení je znázorněno na obr. 5. Toto provedení obsahuje nádrž 20, do které je zaústěný přívod 8 kapaliny pro úpravu. Výstup z nádrže 20 je pomocí podávacího potrubí 9 a přes čerpadlo 7 fluidně propojený se vstupem do modulu 6 pro kapacitní deionizaci. Výstup modulu 6 je připojený k výstupnímu potrubí 15, které je opatřené troj čestným ventilem 16 pro volitelné propojování výstupu z modulu 6 s potrubím 17 pro odvod koncentrátu a potrubím j_8 pro upravenou vodu, které je zaústěné do nádrže 20.

Nádrž 20 je opatřená měřicími prvky, a to vodivostním čidlem H a hladinoměrem 21, například ve formě plováku. Výstupní potrubí 15 je opatřené alespoň vodivostním čidlem H·

Zařízení pracuje následovně: do nádrže 20 se přívodem 8 napustí kapalina k úpravě. Pomocí čerpadla 7 se kapalina vede podávacím potrubím 9 do modulu 6, kde prochází mezi elektrodami 2,

3. Na elektrody 2, 3 je v modulu 6 přiváděno napětí o velikosti 0,8 až 1,2 V, takže se ionty sorbují na elektrody 2, 3, případně do elektrod, a na výstupu z modulu 6 je již kapalina do určité míry odsolená. Trojcestný ventil 16 je sepnut tak, že uzavírá potrubí 17 pro koncentrát a veškerá kapalina proudící výstupním potrubím 15 z modulu 6 je vedena do potrubí 18 pro upravenou kapalinu a následně do nádrže 20. Opakovaným průchodem skrz modul 6 je kapalina dostatečně odsolená a následně je odvedena z nádrže 20. V případě zanesení elektrod 2, 3 se trojcestný ventil přepne tak, aby propojoval výstupní potrubí 15 s potrubím Γ7 pro koncentrát a elektrody 2, 3 se zkratují. Průtok potrubím 17 pro koncentrát je řízen regulátorem 25 průtoku, aby bylo dosaženo co nej vyššího poměru množství upravené vody/koncentrátu.

Z výše uvedeného je zřejmé, že zařízení podle tohoto technického řešení je využitelné pro desalinaci vsádky (tj. kapaliny nádrži 20 v provedení z obr. 5) nebo pro odsolování v průtočném režimu (provedení z obr. 3 a 4.).

S výhodou jsou elektrody 2, 3 spirálovitě navinuté, jak je to znázorněno v příkladném provedení modulu 6 z obr. 6 a 7. V tomto příkladném provedení modul 6 obsahuje pouzdro 41 opatřené spodním víkem 43 a horním víkem 46. Uvnitř pouzdra 41 mezi oběma víky 43, 46 je uspořádaný středící a uklidňovací válec 44, a to souose s podélnou osou pouzdra 41, přičemž do středícího a uklidňovacího válce 44 je přes spodní víko 43 zaústěna vstupní trubice 42 pro přívod kapaliny do modulu 6. Prostor při horním víku 46 je propojený s výstupní trubicí 50 procházející horním víkem a určenou pro odvod upravené kapaliny (odsolené nebo zakoncentrované).

Prostor ve středícím a uklidňovacím válci 44 je propojený při spodním víku 43 s vnitřním prostorem pouzdra 41, resp. s prostorem, ve kterém jsou uspořádány elektrody 2, 3. Mezi oběma víky 43, 46 je podél středícího a uklidňovacího válce 44 spirálovitě navinuta sestava navrstvená z následujících prvků: první elektroda 2, distanční těleso 48, druhá elektroda 3 a izolační fólie 49. Do pouzdra 41 je přes horní víko 46 zaústěn přivaděč 45 elektrického napětí, který je spojen s elektrodami 2, 3.

Kapalina přiváděná do modulu 6 vstupní trubicí 42 prochází středícím a uklidňovacím válcem 44 do prostoru při spodní víku 43, odtud protéká mezi závity spirály podél dvojice elektrod 2, 3 do prostoru při horním víku 46, ze kterého je odváděna výstupní trubicí 50.

CZ 31525 Ul

Při používání se cyklicky střídají sorpční fáze (odsolování) a desorpční fáze (zakoncentrování). Moduly lze řadit paralelně i sériově, kdy paralelním uspořádáním lze zvyšovat hydraulickou kapacitu a sériovým řazením pak zvyšovat účinnost odsolení.

Výhodou tohoto technického řešení je rovněž výhodné uspořádání komponent (trubní rozvody, měření a regulace, napájení a ovládání) do kompaktní rámové, nebo skříňové jednotky.

Ačkoli byla popsána zvlášť výhodná příkladná provedení i řada možných úprav a změn, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Proto rozsah ochrany není omezen na tato příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených Nároků na ochranu.

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro zvyšování a/nebo snižování obsahu solí ve vodném prostředí pomocí kapacitní deionizace, vyznačující se tím, že obsahuje

   - modul (6) pro kapacitní deionizaci, obsahující alespoň jednu dvojici elektrod připojitelných ke zdroji napětí, a mezi nimi průchod pro upravovanou kapalinu;

   - podávači potrubí (9) pro přívod upravované kapaliny do modulu (6);

   - výstupní potrubí (15) pro odvod kapaliny z modulu (6);

   - potrubí (17) pro odvod koncentrátu;

   - potrubí (18) pro odvod upravené vody; a

   - trojcestný ventil (16) pro volitelné propojování výstupního potrubí (15) s potrubím (17) pro odvod koncentrátu a potrubím (18) pro odvod upravené vody.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje čerpadlo (7) pro nucené vedení kapaliny podávacím potrubím (9) do modulu (6).
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje alespoň jeden měřicí prvek uspořádaný v podávacím potrubí (9) a/nebo výstupním potrubí (15), přičemž měřicí prvek je průtokoměr (10) nebo vodivostní čidlo (11) nebo pH sonda (12) nebo teplotní čidlo (13) nebo manometr (14).
4. 4. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále obsahuje řídicí jednotku (30), která je elektricky propojená s modulem (6) a s trojcestným ventilem (16).
5. 5. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále obsahuje nádrž (20), která je propojená se vstupem modulu (6) pomocí podávacího potrubí (9) a do které je zaústěné potrubí (18) pro upravenou vodu.
6. 6. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje soustavu sériově za sebou fluidně propojených modulů (6) pro postupné snižování nebo zvyšování obsahu solí v kapalině procházející z podávacího potrubí (9) uvedenými moduly (6) do výstupního potrubí (15).
7. 7. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje soustavu paralelně vedle sebe fluidně propojených modulů (6), jejichž výstupy jsou zaústěny do společného výstupního potrubí (15).
8. 8. Zařízení podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že elektrody jsou kompozitní porézní elektrody přednostně s vysokým obsahem uhlíku.